基于MSP430的雙組份高壓聚氨酯發(fā)泡機的溫度控制.doc

基于MSP430的雙組份高壓聚氨酯發(fā)泡機的溫度控制摘要：詳細介紹了以MSP430單片機為核心控制部件的雙組份高壓聚氨酯發(fā)泡機溫度控制的設計，對溫度控制的原理，控制策略及其改進都進行了詳細的介紹，同時對系統(tǒng)的結構以及軟件實現也作了細致的說明。該系統(tǒng)運用交流調功的方案取得了很好的控制效果，具有很好的穩(wěn)定性和可靠性。關鍵詞：發(fā)泡機；MSP430；聚氨酯Design of MSP430 based temperature control used to bi-component high-pressure polyurethane foaming machineAbstract：A temperature control system for foaming machine by using MSP430 is reported in this paper . The principle of temperature control and the strategy of the control implementation are studied , the structure of system and implementation of the software is also designed . The practice proved the effectiveness , credibility and stabilization of this system .Keyword：Foaming machine；MSP430；Polyurethane1 引言目前聚氨酯發(fā)泡機有高壓發(fā)泡機和低壓發(fā)泡機兩種。低壓發(fā)泡機只有提料泵一級加壓， 壓力低，制造成本相對比較低，但其原料混合效果比較差，發(fā)泡質量不穩(wěn)定，生產效率低，故障率高，且生產過程浪費大；而高壓發(fā)泡機是由兩臺柱塞泵將兩種發(fā)泡原料polyol和isocyanate泵到灌注槍頭，在槍頭中通過高壓對射達到完全混合，故高壓發(fā)泡機較之低壓發(fā)泡機有更高的性能和更高的生產效率1。本設備面向橋面聚氨酯噴涂領域。橋面用雙組份聚氨酯涂料的A組份由蓖麻油、甘油、聚丁二烯、分子篩、CaO、Cr2O3等按比例充分混合制成，B組份為改性MDI。B與A充分混合，立即發(fā)生反應，從而制成聚氨酯涂料。涂層常溫下數分鐘固化，堅硬，能經受至少1h/200的高溫，附著力良好，特別是疏水性與抗潮性優(yōu)良，由此可大大減少涂層內產生的氣泡。主要用于外表涂料，特別是混凝土表面涂裝，可經受因車輛通行、氣候、溫度等起變化產生的應力，特別適于作橋面有瀝青的混凝土橋蓋板用涂料。在聚氨酯發(fā)泡過程中，溫度和壓力是兩個關鍵量。壓力過低雙組分不能充分混合并且影響發(fā)泡速度，過高則對整個設備提出了更高的工藝要求。溫度對發(fā)泡速度亦有較大的影響，溫度過高，反應速度加快，相應地要求其它設備和工藝與之相適應；溫度過低，反應變慢、固化時間長，相應地影響生產效率1,2,3。因此在設計過程中根據工藝要求溫度必須控制在651的范圍內。本設計中壓力可以通過設定氣泵每分鐘動作次數來改變，具有較高的靈活性；溫度的控制通過兩個固態(tài)繼電器來實現的，采用PID控制，具有響應快、穩(wěn)定性好的優(yōu)點。2 系統(tǒng)結構系統(tǒng)的結構圖如圖1：圖1系統(tǒng)結構圖設計的要求為：氣泵通過空氣壓縮機供氣，能夠通過設置氣泵每分鐘的動作頻率（默認為30n/min）來改變雙組份的流量；每個加熱器為由六個1KW的加熱管并聯在一起組成的加熱箱，溫度能夠人為設定，并且能夠穩(wěn)定在設定值（默認為651），當外界干擾使溫度超出此規(guī)定范圍時能夠迅速恢復，即具有快速響應性。本設計中采用的是MSP430系列單片機，它是美國TI公司推出的一款超低功耗功能強大的16位單片機，它分為31xx，32xx，33xx系列，在2000年TI公司又推出了Flash系列，本系統(tǒng)中采用的是MSP430F135單片機，它的硬件資源為：16K的程序存儲器，512B的數據存儲器，一個高性能的八通道12位A/D轉換器、一個溫度傳感器以及電池低壓時的檢測電路，兩個帶有多個捕獲/比較寄存器的定時器（帶多路PWM輸出），一個看門狗，一個可實現同步、異步及多址訪問的串行接口、一個模擬比較器，數個可實現方向設置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等。利用芯片內置的自動掃描功能，A/D轉換器可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨立工作，并且將轉換后的數據自動存入緩沖區(qū)，這樣，中央處理器的工作負擔就大為減輕。3 溫度系統(tǒng)設計3.1 溫度控制原理溫度的控制即為對加熱器兩端電壓的控制，一般對交流電壓的調節(jié)分為調壓和調功兩種。所謂交流調壓就是指在每半個周波內通過對晶閘管開通相位的控制，可以方便的調節(jié)輸出電壓的有效值。這種調壓方式廣泛用于燈光控制和異步電動機的軟啟動，也用于異步電機調速，但是這種方法的缺點是會對電網電壓造成諧波污染。交流調功和交流調壓的電路形式是完全相同的，只是控制方式不同。交流調功不是在每個交流電源周期都對輸出波形進行控制，而是將負載與交流電源接通幾個整周波，再斷開幾個整周波，通過改變接通周波數與斷開周波數的比值來調節(jié)負載所消耗的平均功率。這種電路常用于電爐的溫度控制，因為像電爐這樣的大慣性控制對象，其時間常數往往很大，沒有必要對交流電源的每個周期進行頻繁的控制，只要以周波數為單位進行控制就足夠了，而且這種調壓方式不對電網電壓造成通常意義的諧波污染4。鑒于以上的分析，本系統(tǒng)中我們采用了第二種調壓方式及交流調功，原理如圖2：圖2溫度控制原理圖3.2 溫度控制策略5PID控制在生產過程中是一種最普遍采用的控制方法，在冶金、機械、化工等行業(yè)中獲得了廣泛的應用。PID是一種線性控制器，它根據給定值與實際輸出值構成控制偏差，將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，其控制規(guī)律為：(3-1)在計算機控制系統(tǒng)中，使用的是數字PID控制器，數字PID控制算法通常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。本設計中采用的是位置式。由于計算機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值計算控制量，故需要將(3-1)式進行離散化處理。用一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換：(3-2)將(3-2)式代入(3-1)式化簡得：(3-3)其中：積分系數，；微分系數，。3.3改進的單神經元PID溫度控制器6本系統(tǒng)由于壓力大，組份流量快，故要求溫度動態(tài)性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，而且壓力可調會造成系統(tǒng)存在參數時變和負載擾動等被控對象的非線性特性等不確定因素。因此理想的控制策略不僅要求能滿足上述動態(tài)和靜態(tài)性能，而且還應該具有抑制各種非線性因素對系統(tǒng)的影響。使用傳統(tǒng)的控制算法PID是很能滿足上述要求的。近年來，神經網絡的研究引起了控制界的高度重視，單神經元是最基本的控制部件，它只有一個神經元, 結構簡單，學習過程比較快，又具有神經網絡的信息綜合、學習記憶和自適應能力，表現出良好的自適應性和魯棒性。本設計中采用單神經元PID溫度調節(jié)器的設計方法。單神經元的結構圖如圖3所示：圖3單神經元結構圖傳統(tǒng)的單神經元PID控制器的控制算法如下：(3-4) (3-5)(3-6）(3-7）(3-8）上面的式中，、分別對應增量式PID控制器的三個參數、。這種控制策略是采用增量式的方式，對于本系統(tǒng)要求有快速響應，控制器選擇絕對式的比較合適。當單神經元控制器采用絕對式控制器方式，同增量式控制器結構基本一樣，只是控制器的輸入和輸出有了變化。此時神經元的輸入變?yōu)椋?3-9）輸出為：(3-10）此神經元控制器具有PID控制器的結構，、分別對應PID控制器的、，通過對其加權系數的調整來實現參數的在線整定，參數自適應的功能。加權系數采取有監(jiān)督的學習規(guī)則，它與神經元的輸入、輸出和偏差有關，可以定義為： （3-11）再在控制器中引入二次性能指標，通過修改權值來使性能指標趨于最小，這是控制最終能夠收斂的保證，從而保證系統(tǒng)能夠最終趨于穩(wěn)定。根據以往的理論證明，一般我們引入的二次性能指標為，使加權系數的修正沿著J減小的方向，即對的負梯度方向進行搜索調整。 （3-12）由于在PID算法中通常是未知的，可以近似用符號函數取代,這樣我們可以得到最終的權值學習規(guī)則： （3-13）由（3-9）式和（3-10）式可以看出，這種算法的結構比較簡單，整個算法中需要調整的參數比較少，也沒有除法計算。由（3-13）式可以看出，權值的調整算法也比較簡單，只用計算加法和乘法，并且計算量不大，利用MSP430完全能夠實現。采用單神經元的PID控制算法后，其效果如圖4：圖4單神經元PID控制效果圖1普通PID2單神經元PID4 系統(tǒng)軟件設計程序采用中斷方式編程，主程序在完成初始化之后進入等待狀態(tài)。共有三種中斷：每隔20ms讀AD、每隔200ms掃描鍵盤同時完成顯示、每隔500ms進行一次PID運算。如果進行參數設置，長按對應的鍵4s可進入參數設置界面（此時正常顯示功能被中斷），參數設置完成后需要保存到EEPROM里面。中斷流程圖如圖5：5 結束語MSP430是一款性價比很高的單片機，其豐富的片內硬件資源使系統(tǒng)的外圍電路大大簡化，為系統(tǒng)設計帶來了極大的方便，其12位高精度AD轉換器保證了本設計中溫度的高控制質量。實踐證明，基于MSP430的雙組份高壓聚氨酯發(fā)泡機具有控制準確、操作簡單、故圖5中斷流程圖障率低等優(yōu)點，具有很好的應用前景。參考文獻1金修鋒。雙槍頭聚氨酯高壓發(fā)泡機的控制J。廣州自動化，1995，16(50